[发明专利]一种新型多频超声含沙量级配测量系统和方法

说明书

本发明提供一种新型多频超声含沙量级配测量系统和方法，属于环境原位监测技术领域，该系统主要包括超声测量探头和采集盒组成的采集系统、以及数据传输设备、用户端、标定装置，以用户端为载体的分析计算系统；超声测量探头是信号发出和接收设备，由压电复合晶片作为传感器；采样盒和用户端之间通过无线局域网连接进行数据传输。本发明具有更小的尺寸和测量盲区、较宽的泥沙浓度测量范围，采用新型材料制作传感器以提高探头的灵敏度并提高信噪比，同时，本发明所涉及的超声测量探头制作成本低，使用方便，精度较高。

技术领域

本发明涉及环境原位监测技术领域，具体是一种新型多频超声含沙量级配测量系统和方法。

背景技术

测量天然河流中泥沙参数变化对于了解泥沙输运过程有重要意义，这关系到各类水利工程的设计和维护。水利科学理论在很大程度上依赖于对天然资料的率定和验证，然而河流水沙的运动特性复杂，对其进行现场同步实时测量非常困难。现已有的悬移质泥沙浓度和颗粒组成的测量方法包括：采样分析法、光学检测法、声学检测法、图像观测法以及B超成像、遥感影像解译分析等。

传统的野外现场采样、实验室内作业分析的模式尽管测量精度高，但方法较为落后，耗时耗力；光学检测方法采用光学手段测量天然河流水流中的含沙浓度与级配，大致可分为透射法、浊度法、光学反向散射法(optical backscatter，OBS)和激光衍射法(Laserdiffraction)，不同基质、粒径和颜色的泥沙颗粒对光的散射性能差异较大，用光学浊度计和LISTT系列产品进行实时测量时依赖于经验关系，而且室内实验和室外测似表明，LISST对于级配测量误差可以达到20～40％，仪器的适用性和稳定性都不能满足水文测验规范的要求，激光粒度仪测量级配只能在实验室里进行；图片类方法则是利用先进的高像素高精度的微相机设备拍摄照片，能清晰反映粒子的尺度特征，并且能通过计算得到浓度，但此类仪器设备存在结构方面的不足，例如含沙水体需进入测量盒内，才能被激光照射，难以得到理想的结果。

声学检测法则是利用超声波在介质中的散射和衰减等特性来测量悬浮泥沙信息，超声测量设备具有优点是能量集中，对流场无干扰，快速实时等优点。基于声衰减法，苏明旭等(CN104849183A)提出用声衰减谱测量液体中气泡或者颗粒的浓度和平均粒径的方法，可用于两种混合颗粒物的情况，可用于实验室和现场测量。随后又提出一种改进的基于超声衰减谱原理测量气体或液体介质中固体颗粒粒径和浓度的方法(CN104833619A)，通过测量区域内颗粒的超声衰减谱、计算消声系数、计算超声子散射出射角对目标函数进行求解，获得颗粒的平均粒径和浓度，该方法受频带宽度所限，检测的粒径范围为20～100μm，仅适用于细颗粒测量。基于背向散射原理的ADV和ADCP等设备，通过标定得到颗粒浓度与信号强度的反演关系，不具备实时测量的能力，且探头到探测体的距离较远，信号在传播路径上的衰减过大，故难以获取有用的信息。

上述设备对于颗粒运动参数的量测存在明显的局限性：一是只适应于非常低的浓度(稀疏颗粒)；二是大多局限于离线测量，而且设备的结构复杂，使用不方便，鲜有能应用于现场实时测量的设备；三是大部分设备都无法实现浓度和级配同时测量。相比于国外，国内对于悬移质泥沙含沙量和级配测量仪器的原创性研发的进展相对滞后，测量的量程也十分有限。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种新型多频超声含沙量级配测量系统和方法，以解决现有颗粒浓度和级配测量技术的不足、以及不能进行线上实时测量的局限性。